浅析HZ1080MB/AZ26-700组合钢板桩施工技术

扶晓林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

浅析HZ1080MB/AZ26-700组合钢板桩施工技术

扶晓林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

根据地质资料的分析结果，合理选择振动锤、冲击锤及预钻孔旋转开挖设备，分别从AZ26-700辅桩锚点固定方式、导向架制作、替打设计、桩尖焊接桩靴、局部地质遇障碍物或预埋管等方面对HZ1080MB/AZ26-700组合钢板桩的施工工艺进行优化设计。在合理设计施工工艺及施工顺序的基础上，总结出第1阶段振动插桩、第2阶段(硬质土层)冲击沉桩和第3阶段(非常坚硬土层)预钻孔松土(或取土)的联合沉桩工艺。该工艺经新加坡大士南二期工程施工实践证明，无论是沉桩效率还是沉桩质量都符合既定目标。

振动锤 辅助设施优化设计 联合沉桩施工工艺 处理方法和措施

1 工程概况

新加坡大士南二期工程顺岸长450,m，顶面高程为5.95,m，前沿海测疏浚标高为-1.0,m。整个顺岸码头采用单锚碇结构体系，前沿桩基采用HZ1080MB/AZ26-700组合钢板桩，用低合金钢高强度拉杆与后方锚碇钢板桩、锚碇墙及抛石棱体作为锚碇系统。

HZ1080MB钢板桩承受来自墙后的土体、地下水、地面超载等引起的水平侧压力并承受额外的竖向荷载，作为承重桩。HZ1080MB桩桩顶标高为+1.4,m，底标高为-24.6,m，单根重8.1,t。AZ26～ 700钢板桩主要起着保证墙体的连续性，同时兼顾挡土与荷载传递的作用。AZ26-700钢板桩顶标高为+0.6,m，底标高为-20.6,m，单根重2,t。码头典型断面如图1所示。

2 地质资料

新加坡大士南二期场地海床以上部分为2011年左右吹填砂，并采用水下振冲、陆上施打塑料排水板等工艺进行砂体密实。

①松散的粗砂，标高为+6.0～-20,m；②非常坚硬的粉质粘土，标高为-20～-23,m；③非常密实的细泥沙，标高为-23～-25,m(SPT35～SPT65)；④硬粘土质砂质粉土，标高为-25～-30,m(SPT35～SPT65)；⑤不同地质条件下沉桩机械设备适用范围与地质SPT分布如表1所示。

图1 #6顺岸码头典型断面示意图Fig.1 Typical section of Wharf #6

表1 不同地质条件下沉桩设备的适用范围Tab.1 Piling equipment scope in different geological conditions

3 施工机具和附属设施

3.1 施工机具

3.1.1 液压振动锤

振动式沉桩、冲击沉桩等方式目前在港口建设、桥梁施工等领域应用广泛。随着港口建筑技术的不断提高，振动式桩基设备也随之更新换代。结合相关知识并参阅相关文献资料，振动锤的选择必须满足以下3个基本条件：

①振动锤的激振力0P大于被振沉构件与土的侧面动摩擦阻力T；②振动锤系统的总重量Q0大于被振沉构件的端阻力R；③振动系统的工作振幅A0大于振沉构件振沉到设计深度的最小振幅A。

首先，根据桩的类型、尺寸和地质资料计算激振力是否可以克服桩的侧面动摩擦阻力，满足此关系的计算公式如下：

目前没有统一计算侧面动摩擦阻力Tvi的方法，仅采用经验公式计算，下面(3)、(4)为各土层极限静侧摩擦阻力的总和：

式中：0P为激振力，kN；TV为侧面动摩擦阻力之和，kN；U为桩横断面周长，m；Hi为第i层图的厚度，m；Tvi为第i层土的极限动摩擦阻力，2kPa/m；Ni为第i层土层的标准贯入击数。通过以上公式可计算出土体的侧摩动阻力TV，振动加速与土的摩擦阻力降低度的关系曲线如图2所示。

图2 振动加速与土的摩擦阻力降低度的关系曲线图Fig.2 Relational graph of vibration acceleration and soil frictional resistance reduction

其次，计算振动锤沉桩克服桩端阻力，即振动锤系统的总重量Q0大于被振沉构件的端阻力R，满足此关系的计算公式如下：

粘性土的桩端动阻力：

砂性土的桩端动阻力：

式中：Rv为桩端动阻力，kN；N为桩沉入深度土层的最大标准贯入击数；F为桩的横截面面积，2m；e为自然对数的底；I为振动锤的动量，kg；k为偏心力矩，kg⋅ m；ω为振动锤负荷轴角速度，即频率，l/s；g为重力加速度，2m/s。

最后，计算振动锤振动系统A0和被振沉构件振到设计深度的最小振幅A，可根据如下经验公式进行粗略估算：

以上部分参数可以直接在振动锤技术规格书中查阅，其余数据根据所列公式进行计算，反复求证，直至满足选择振动锤的3个条件为止。综合以上信息，本工程选用APE400型振动锤，详细资料如表2所示：

表2 APE400型振动锤技术规格一览Tab.2 Specification list of APE400 vibration hammer

3.1.2 液压冲击锤

综合上述信息，本工程液压冲击锤选用15,t液压冲击锤，参数如表3所示：

表3 15,t液压冲击锤技术规格一览Tab.3 Specification list of 15 t hydraulic impact hammer

3.1.3 起重设备

起重机臂长必须满足以下要求：桩长(26,m)＋导架净高度[从地面到导架上部围栏高度(5,m)]＋振动锤高度(3,m)＋振动锤吊具高度(2,,m)＋吊车大勾及部分钢缆绳长度(4,m)，需大于40,m。

选择起重机吨位必须满足以下要求：桩重(8.1,t)+锤重(17,t)＋振动锤附属液压管重(2,t)＋其他(2,t)，需大于30,t。

综合以上信息，选用3台中联重科QUY200T履带吊车。

3.2 附属设施

3.2.1 导向架设计

根据以往钢板桩施工经验，必须采用双层双向导架开展钢板桩施工。在本工程中，为HZ1080MB主桩和AZ26-700辅桩间隔设置形式，必须对打桩导向架的刚度、净高尺寸、限位装置、辅助措施等进行优化设计。主桩和辅桩布置形式如图3所示：

图3 主桩和辅桩布置形式Fig.3 Layout plan of main piles and minor piles

本工程导向架两层水平架的垂直距离为3.5,m，长度为12,m，定型“H”型钢，导架上下两层主梁采用400,mm×400,mm×21,mm×13,mm的“H”型钢，连接上下两层采用340,mm×250,mm×22,mm×13,mm的“H”型钢，4根定位桩采用长度为12,m、直径为800,mm、壁厚为20,mm的钢管。HZ1080MB主桩的海侧迎水面部位有油漆涂层，导向架内应设置合适的导向系统(见图4)，避免打桩过程对涂层的损坏(如使用橡胶导轮)。

图4 导向系统设置示意图Fig.4 Guide system configuration

3.2.2 桩帽及夹具设计

图5 HZ1080主桩“T”型锁口夹Fig.5 “T”Clamps of the HZ1080 piles

图6 AZ26-700辅桩“八”字型锁口夹Fig.6 Splayed clamps of the AZ26-700 piles

桩帽主要起着紧固桩头、保护桩头及传递荷载的作用，在对桩帽设计时需充分考虑以上因素。本工程中对于HZ1080主桩和AZ26-700辅桩采用两种桩帽设计(见图5、6)。

4 施工工艺

4.1 施工工艺流程

HZ1080MB主桩和AZ26-700辅桩为连续间隔设置。为了确保主桩和辅桩都满足设计要求，在具体施工过程中，先施工HZ1080MB主桩，每一个导向架为1单元，先将1单元的主桩全部送至设计标高，然后再施工AZ26-700辅桩，具体施工工艺及步骤如图7所示：

图7 HZ主桩和AZ辅桩施工工艺流程图Fig.7Construction process of the HZ1080MB piles and AZ26-700 piles

4.1.1 施工导向架安装

施工导向架的安装要求必须水平放置，确保与定位桩连接可靠，保证在打桩过程中施工导向架不会发生移动或晃动。

4.1.2 HZ1080MB主桩施工

HZ1080MB主桩和AZ26-700辅桩施工顺序及导向架示意如图8、9所示。按照图9第①步1-2-3-4-5-6的打桩顺序，首先使用振动锤将HZ1080MB主桩打入地层一定深度。将导向架内所有的主桩都打入预定标高后，移走导向架，继续使用振动锤打桩。土层较硬，振动锤打桩困难时换用冲击锤打桩(见图8第②步)，将HZ1080MB主桩打入设计标高，最后1根主桩应保留作为下一排桩的第1根桩，确保后续打桩直线度以及主桩之间的距离。

4.1.3 AZ26-700辅桩施工

如图8中第③步，一个导向架主桩全部施工结束后，接着施工AZ26-700辅桩，并一次性将辅桩送至设计标高。

图8 HZ1080MB主桩和AZ26-700组合桩施工Fig.8 Construction of HZ1080MB piles and AZ26-700 piles

图9 HZ1080主桩施工顺序Fig.9 Construction sequence of HZ1080 piles

4.2 施工过程中辅助措施

4.2.1 预钻孔

根据之前地质资料显示，本工程中有许多部位的地质比较坚硬，常规打桩较为困难，需对部分地质层进行预钻孔，减小土体阻力，提高打桩效率，如图10所示：

图10 地基预钻孔措施Fig.10 Foundation predrilled measures

4.2.2 桩尖焊接桩靴

组合钢板桩施工之前将HZ1080MB主桩和AZ26-700辅桩桩尖焊接桩靴，有利于在打桩过程中遇到地质比较坚硬部位顺利下沉，减小桩尖阻力，从而起到保护桩头等作用，如图11所示：

图11 桩尖焊接桩靴Fig.11 Pile shoe welding of the pile tip

4.2.3 辅桩锁口调整允许偏差

在AZ26-700桩出厂时，仅要求对桩顶部位进行压点，保证AZ26-700辅桩在施工过程中能灵活调节HZ1080MB主桩的打桩偏差，此处主要利用了AZ26-700桩3个锁口的调节，每个锁口理论调节角度为8 °，几种组合体系分别见图12、13、14、15。

图12 HZ/AZ组合桩正常组合体系Fig.12 Normal combination of HZ/AZ combined pile

图13 HZ/AZ组合桩拓宽组合体系Fig.13 Broadened combination of HZ/AZ combined pile

图14 HZ/AZ组合桩缩窄组合体系Fig.14 Narrowing combination of HZ/AZ combined pile

4.2.4 辅桩位置的可变换性

图15 HZ/AZ组合桩自行调节组合体系Fig.15 Automatically adjusted combination of HZ/AZ combined pile

在施工HZ1080MB/AZ26-700组合钢板时，除前面阐述的利用预钻孔进行土体钻松，降低桩尖阻力措施外，还有另外一种辅桩设置。当辅桩一侧遇到障碍物或者有预埋管道时，可以将辅桩设置在另外一侧，以避开障碍物或者预埋管道。

4.2.5 钢板桩锁口检查与矫正

插打钢板之前封堵钢板桩下部凹型锁口，清除锁口内的杂物，并涂以黄油、黏土、干锯末等混合物以减少插打时的阻力，并增强防渗能力。选用长度为2,m的锁口对使用的钢板桩钢锁口进行检查，遇弯曲、变形及锁口不合的桩，主要采用以下几种矫正方法：①表面缺陷矫正；②端部矩形比矫正；③桩体挠曲矫正；④桩体扭曲矫正；⑤桩体截面局部变形矫正；⑥锁口变形矫正。

5 HZ/AZ组合钢板桩特性

5.1 规格型号

本工程根据用钢量、码头前沿设计水深以及承载力要求，选择了HZ1080MB作为主桩，AZ26-700作为辅桩，其具体规格如表4、5所示。

表4 HZ1080MB主桩参数一览表Tab.4 List of HZ1080MB main pile specifications

表5 AZ26-700辅桩参数一览表Tab.5 List of AZ26-700 minor pile specifications

5.2 组合钢板桩体系的静力学特性

5.2.1 静力学力学名词解释

IHZ：HZ1080MB主桩的惯性矩，cm4/m；

IAZ：AZ26-700辅桩的惯性矩，cm4/m；

B：组合钢板桩体系的宽度，m；

H：HZ1080MB主桩的断面高度，m；

I：组合钢板桩体系的惯性矩，4cm/m；

S：组合钢板桩体系的截面抵抗矩，3cm/m。

5.2.2 HZ1080MB主桩和AZ26-700辅桩的应力计算

5.3 典型较短辅桩的组合钢板桩墙体

本工程中HZ1080MB主桩长26,m，顶标高1.4,m，底标高-24.6,m，AZ26-700辅桩长21.2,m，顶标高中0.6,m，底标高为-20.6,m，HZ1080MB主桩比AZ26-700辅桩长近5,m，如图16所示。

5.4 结构耐久性

HZ1080MB和AZ26-700组合钢板桩体系在海水中表面氧化腐蚀的结构耐久性远远慢于常规的Z型、U型钢板桩连续墙体，如图17所示。

图16 典型组合桩断面图Fig.16 Typical section of the combination piles

图17 组合桩与常规钢板桩在海水中腐蚀速率对比Fig.17 Corrosion rate comparison of combination piles and conventional steel sheet pile in seawater

6 施工总结

本工程共计HZ1080,MB/AZ26-700组合桩234组，克服施工时潮水影响，施工时间为60,d，桩头破坏率为2%,，达到设计标高保证率99%,，主桩和辅桩之间脱锁口、撕裂率为2.5%,。

6.1 施工定位

必须确保导向架定位桩的打入深度，同时确保定位桩的位置、标高及其导向架与定位桩之间连接的稳定性。

6.2 机械设备

根据地质情况、桩型及施工环境选择适合振动频率的振动锤、冲击锤以及旋挖设备。

6.3 预钻孔措施

实时分析地质资料，对地质坚硬的部位预先开展钻孔松土措施，确保主桩和辅桩施工顺利。

6.4 施工导向架

必须制作一个安全性高、稳定性好、刚度大的施工导向架。

6.5 桩帽(替打)设计

根据施工桩型制作一个能传递荷载、保护桩头、具有一定程度的抗打性能的桩帽(替打)。

6.6 施工顺序

严格按照前述施工顺序进行指导施工。待一个施工导向架主桩全部送至设计标高后再行施工辅桩，并一次性将辅桩送至设计标高。■

［1］ 法国PTC公司. PTC振动沉桩介绍与说明[R]. 2002.

［2］ 美国ICE公司. ICE振动桩机[R]. 2002.

［3］ 欧洲钢板桩技术协会. 欧洲钢板桩施工方法[Z].

［4］ 欧洲钢板桩施工. Arcelor Mittal /ORIENTAL sheet piling[Z]. 2009.

［5］ JTJ 222—87. 港口工程技术桩基规范[S].

［6］ JTS 147-1—2010. 港口工程地基规范[S].

［7］ 中交第三航务工程局第二工程有限公司新加坡大士南船坞二期工程施工组织总设计[Z]. 2013.

Analysis of HZ1080MB / AZ26-700 Combination Steel Pile Construction Technique

FU Xiaolin

(No.2 Engineering Co.，Ltd．of CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200122，China)

Based on an analysis of geological data，vibration hammer，hammer and rotary drilling pre-excavation equipment were reasonably selected and construction technology of the combination of HZ1080MB / AZ26-700 with steel sheet pile was optimized from the aspects of AZ26-700 auxiliary pile anchor fixation，guide frame production，driving design，pile tip soldering pile shoe，local geology encountered obstacles or embedded tubes．On the basis of the rational design of construction techniques and sequence，this paper summs up a joint pile process including the first phase of vibration instrumentation，the second phase of the impact of hard soil pile and the third stage of pre-drilled holes(or borrow)in very hard soil tillage．This joint pile construction technology has been proved by the phase 2 construction of Singapore Tuas South project as its efficiency and quality of pile sinking were in line with the stated objectives on pile quality.

vibratory hammer；auxiliary facilities design optimization；united pile construction technology；processing methods and measures

U655.4

A

1006-8945(2016)08-0050-07

2016-07-01